基于互补开口谐振环的无损血糖检测传感器

MEMS 2024-06-22 00:03

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据麦姆斯咨询报道,近日,由东南大学易真翔副教授领导的研究团队开发了一种采用互补开口谐振环(CSRR)的无损血糖检测传感器。通过在接地面上配置互补开口环结构,可以有效地增强开口环之间的电磁场强度。通过仿真确定基于CSRR的传感器的结构尺寸,使得器件的插入损耗曲线在3.419 GHz的频率下具有谐振点。利用三维(3D)打印技术制作的特殊支架,在葡萄糖溶液浓度从0 mg/mL到20 mg/mL变化时建立了测试平台。实验结果初步验证了所开发的基于CSRR的传感器用于血糖无损检测的可行性。相关研究成果以“Non-Destructive Sensor for Glucose Solution Concentration Detection Using Electromagnetic Technology”为题发表在Micromachines期刊上。

在这项研究工作中,所开发的CSRR由两个同心亚波长开口谐振环(SRR)组成,这两个SRR以相反的方向蚀刻在接地平面上,并且通过微带线耦合和馈电。在实际应用中,通常将刻有开口环结构的传感器一侧附着在身体上,例如手臂、腹部或腿部。微波信号通过微带线从端口1传输到端口2。人体内血糖浓度的变化会影响CSRR的传输特性。因此,可以通过检测插入损耗S₂₁的变化来预测人体血糖浓度。


血糖检测示意图:(a)传感器的放置;(b)基于CSRR的传感器的前表面;(c)基于CSRR的传感器的背表面

在该传感器的设计中,最重要的是确定微带传输线和互补开口环的尺寸。不同的尺寸会产生不同的频率谐振点。研究人员设计的互补开口环结构为方形。利用有限元软件HFSS 15.0对该传感器的微波性能进行了模拟。结果表明,在没有蒸馏水的测试区域时,CSRR的插入损耗S₂₁在3.419 GHz的频率处具有谐振峰,而当测试区域充满蒸馏水时,谐振频率前移至3.246 GHz。


使用HFSS软件对有无蒸馏水的插入损耗S₂₁的仿真结果

基于CSRR的传感器是在RF4衬底上制造的。两个SMA连接器作为输入端口和输出端口连接到传感器。


基于CSRR的传感器照片:(a)前表面;(b)背表面

为了验证所提出的基于CSRR的传感器用于血糖无损检测的可行性,建立了实验平台并进行了相关实验。矢量网络分析仪(VNA)用于测量传感器在支架中有溶液的情况下的微波性能。首先,基于CSRR的传感器的两个端口通过同轴传输线连接到VNA的输入/输出端口。然后,将一定量的去离子水添加到样品支架中,并且在实验过程中通过添加相同量的葡萄糖粉末来改变溶液的浓度。该方法可以有效地避免因更换不同浓度的溶液而造成的实验误差。最后,通过VNA测量传感器的传输特性。实验结果表明,在谐振频率处,插入损耗S₂₁与葡萄糖浓度之间存在明显的线性关系。同样,S₂₁的实部和虚部均随葡萄糖浓度线性变化。


测量的插入损耗S₂₁的振幅:(a)振幅随频率的变化曲线;(b)振幅随葡萄糖浓度的变化曲线

总而言之,研究人员开发了一种具有CSRR结构的传感器,并将CSRR中的环路蚀刻在接地平面上。环路的磁通量将使环路中的旋转电流产生其自身的磁通量,可以有效提高传感器近场的电磁强度,通过在开环结构处放置葡萄糖溶液,可以提高传感器的测量灵敏度。通过HFSS仿真确定所开发器件的结构尺寸,并在建立测试平台后通过VNA测试了插入损耗S₂₁。实验结果表明,在一定频率下,插入损耗S₂₁的幅度、实部、虚部和相移均与葡萄糖浓度之间存在线性关系。最重要的是,间接证明了在未来基于CSRR的传感器可以应用于人体血液中葡萄糖水平的无损检测。

论文链接:
https://www.mdpi.com/2072-666X/15/6/758

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